生物反应器专利检索-生物反应器生物学专利检索查询-专利查询网

生物反应器

阅读：950发布：2020-05-11

专利汇可以提供生物反应器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且根据本发明各实施例，提供了一种用于光合自养生物生长的生物反应器。所述生物反应器包括配置为容纳所述光合自养生物的容器，所述容器具有纵向轴线，周向壁围绕所述轴线延伸，其中所述周向壁为半透明的，以使光能够从外侧进入所述容器，从而作用在所述光合自养生物上，其中提供用于在所述容器内沿所述轴线提供光强的不均匀分布的设备。，下面是生物反应器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于光合自养生物生长的生物反应器，所述生物反应器包括配置为容纳所述光合自养生物的容器，所述容器具有纵向轴线，周向壁围绕所述轴线延伸，其中所述周向壁为半透明的，以使光能够从外侧进入所述容器，从而作用在所述光合自养生物上，其中所述容器具有用于将所述容器定位在地面上的底部和当沿所述轴线看时提供在与所述底部相反的端部上的顶部，其中提供用于在所述容器内沿所述轴线提供光强的不均匀分布的设备，所述光强的不均匀分布包括所述容器内的光强从所述容器的底部沿所述轴线朝向所述顶部增加的分布。
2.根据权利要求1所述的生物反应器，其中用于提供光强的不均匀分布的所述设备包括所述周向壁，使得半透明表面沿所述轴线变化。
3.根据权利要求2所述的生物反应器，其中所述周向壁的周长沿所述轴线变化。
4.根据权利要求1所述的生物反应器，其中所述周向壁由半透明材料制成。
5.根据权利要求4所述的生物反应器，其中所述半透明材料为从由玻璃、石英和丙烯酸塑料构成的组中选择的材料。
6.根据前述权利要求中任一项所述的生物反应器，其中所述周向壁的周长从所述底部朝向所述顶部增加。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的生物反应器，其中用于在所述容器内沿所述轴线提供光强的不均匀分布的所述设备包括定位在所述容器外侧的至少一个镜子，该至少一个镜子用于将光引导朝向所述半透明周向壁的预定区域或者朝向所述周向壁的预定半透明区域，以便在所述容器内沿所述轴线提供光强的不均匀分布。
8.根据权利要求7所述的生物反应器，其中所述镜子具有凹形形状，该凹形形状被布置为弯曲远离所述容器的所述周向壁。
9.根据权利要求7所述的生物反应器，其中所述镜子被布置为至少部分地环绕所述容器的所述周向壁。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的生物反应器，其中用于提供光强的不均匀分布的所述设备包括在所述容器的所述周向壁上的滤光层，其中所述滤光层具有一透光率，该透光率沿所述轴线变化，以便在所述容器内沿所述轴线提供光强的不均匀分布。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的生物反应器，其中用于提供光强的不均匀分布的所述设备包括定位在所述容器外侧的过滤器装置，其中所述过滤器装置具有一透光率，该透光率沿所述轴线变化，以便在所述容器内沿所述轴线提供光强的不均匀分布。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的生物反应器，其中用于提供光强的不均匀分布的所述设备包括定位在所述容器外侧的至少一个光源，该至少一个光源用于朝向所述半透明周向壁的预定区域或者朝向所述周向壁的预定半透明区域供应光，以便在所述容器内沿所述轴线提供光强的不均匀分布。
13.根据权利要求12所述的生物反应器，其中用于提供光强的不均匀分布的所述设备包括定位在所述容器外侧的多个光源，该多个光源用于朝向所述半透明周向壁的多个预定区域或者朝向所述周向壁的多个预定半透明区域供应光，其中所述光源以相应距离与所述容器的所述半透明周向壁或所述周向壁隔开，该相应距离沿所述轴线变化，以便在所述容器内沿所述轴线提供光强的不均匀分布。
14.根据权利要求12所述的生物反应器，其中用于提供光强的不均匀分布的所述设备包括定位在所述容器外侧的多个光源，该多个光源用于朝向所述半透明周向壁的多个预定区域或者朝向所述周向壁的多个预定半透明区域供应光，其中用于朝向所述半透明周向壁的相应预定区域或者朝向所述周向壁的相应预定半透明区域供应光的光源的数量沿所述轴线变化，以便在所述容器内沿所述轴线提供光强的不均匀分布。
15.根据权利要求1至5中任一项所述的生物反应器，进一步包括：
一个或更多个间隔开的分隔器，被布置为在所述容器内沿所述轴线限定多个隔间，其中每个分隔器具有被限定为通过所述分隔器的至少一个孔口，该至少一个孔口用于所述多个隔间之间的流体连通，并且
其中，对于每个隔间，在所述多个隔间中的一个隔间中的光强与所述多个隔间中相应的沿所述轴线的随后的隔间中的光强不同，以便在所述容器内沿所述轴线提供光强的不均匀分布。
16.根据权利要求15所述的生物反应器，其中，对于每个隔间，所述多个隔间中的一个隔间的高度与所述多个隔间中相应的沿所述轴线的随后的隔间的高度不同。
17.根据权利要求15所述的生物反应器，其中所述孔口具有在1mm和10mm之间的直径。
18.根据权利要求15所述的生物反应器，其中每个分隔器具有多个孔口，并且其中两个相邻的孔口之间的间距在1mm和10mm之间。
19.根据权利要求15所述的生物反应器，进一步包括布置在每个隔间中的引流管。
20.根据权利要求19所述的生物反应器，其中，对于每个间隔，所述引流管的内径与所述多个隔间中相应的沿所述轴线的随后的隔间中的引流管的内径不同。
21.根据权利要求1至5中任一项所述的生物反应器，其中所述周向壁具有从由椭圆形、长方形和六边形构成的组中选择的形状。
2
22.根据权利要求1至5中任一项所述的生物反应器，其中所述光强在50μmol/m s和
2
1000μmol/ms之间。
23.根据权利要求1至5中任一项所述的生物反应器，其中所述周向壁具有从由圆形和正方形构成的组中选择的形状。

说明书全文

生物反应器

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求于2011年12月19日递交的美国临时申请No.61/577,547的优先权的利益，其全部内容为所有目的而通过引用合并于此。

技术领域

[0003] 各个实施例涉及一种生物反应器。

背景技术

[0004] 原油储备快速减少。目前，诸如微藻之类的光合自养生物的培育已经被确定为处理上述主要问题的潜在策略。微藻可被用作用于生物燃料生产的替代原料。与快速减少的原油储备不同，微藻是可再生的且提供快速的生长。与在生物柴油生产中普遍观察到的高植物油成本相比，由于高达80％干重的高脂类甘油三酯和快速的指数生长速率，微藻潜在地以低原材料成本提供高的产油率。除了生物柴油生产，微藻目前被培养，以生产用于保健品、水产饲料、色素成分、多不饱和脂肪酸和其它精细化工的材料，而在收获有用的脂类和材料后收集的废弃的细胞碎片可被转换为替代的生物柴油形式，包括生物甲烷、生物乙醇和生物氢气。

[0005] 微藻的培育可被分类在两个主要的系统下：开放式系统(例如水道池塘)或者封闭式系统(例如光生物反应器)。目前，因为与建造和操作开放式系统相关的低成本，开放式系统仍然为工业上最普遍的培育系统。但是，开放式水道池塘的关键缺点在于生物量的面积和体积生产率低。另外，水道池塘容易被污染，且混合不佳。因此，其不能有效地利用光，且与封闭式系统相比使用碳的效率更低。

[0006] 相比之下，光生物反应器能够以更高的体积生产率生产单物种培养物，且光生物反应器已经被用于大批微藻生物量的工业化生产。此外，为了生产的高价值化合物，在受控培育系统中授权使用单一培养。与开放式水道池塘所获得的生物量浓度相比，传统的光生物反应器能够维持较高的生物量浓度。因此这使得反应器的尺寸要求最小化，同时降低了下游处理成本。

[0007] 具有小直径的管状光生物反应器目前在微藻的大范围生产中被采用。尽管小直径的管被发现为最大化地利用捕获的阳光，但是需要强的湍流，另外，用于保持通过管长度必需的流率所需要高的泵送压力，使得系统更加昂贵且对于大规模操作不太可行。此外，小的管直径也被发现为会增加生物污垢，降低对盐沉淀的控制，和呈现强氧张力，其一般地对于主动光合作用系统是不利的。发明内容

[0008] 根据本发明一方面，提供一种用于光合自养生物生长的生物反应器。所述生物反应器可包括配置为容纳所述光合自养生物的容器，所述容器具有纵向轴线，周向壁围绕所述轴线延伸，其中所述周向壁为半透明的，以使光能够从外侧进入所述容器，从而作用在所述光合自养生物上，其中提供用于在所述容器内沿所述轴线提供光强的不均匀分布的设备。

[0009] 用于提供光强的不均匀分布的所述设备可包括所述周向壁，使得半透明表面沿所述轴线变化。所述周向壁的周长可沿所述轴线变化。

[0010] 所述周向壁可具有圆形、椭圆形、正方形、长方形或六边形的形状。

[0011] 所述周向壁可由半透明材料制成。所述半透明材料可为玻璃或石英或丙烯酸塑料。

[0012] 所述容器可具有用于将所述容器定位在地面上的底部和当沿所述轴线看时提供在与所述底部相反的端部上的顶部，并且其中所述周向壁的周长可从所述底部朝向所述顶部增加。在各个实施例中，这种容器可使所述容器内的光强分布能够沿所述轴线从容器的底部朝向顶部增加，从而随着光合自养生物在培育过程期间从所述容器的所述底部朝向所述容器的所述顶部向所述容器上方行进，光合自养生物可接收光强的逐渐增加的分布或部分。因此，分布在所述容器内的部分光强从所述容器的所述底部朝向所述顶部增加，使得与接近所述容器的所述底部的光合自养生物相比，接近所述容器的所述顶部的光合自养生物可接收分布在所述容器内的光强的更高比例。

[0013] 用于在所述容器内沿所述轴线提供光强的不均匀分布的所述设备包括定位在所述容器外侧的至少一个镜子，该至少一个镜子用于将光引导朝向所述半透明周向壁的预定区域或者朝向所述周向壁的预定半透明区域，以便在所述容器内沿所述轴线提供光强的不均匀分布。在各个实施例中，所述镜子可使得容器内的光强的分布能够从所述容器的所述底部朝向所述顶部沿所述轴线增加，从而随着所述光合自养生物在培育过程期间沿从所述容器的所述底部朝向所述容器的所述顶部的方向行进，所述光合自养生物可接收逐渐增加的光强分布。

[0014] 所述镜子可具有凹形形状，该凹形形状被布置为弯曲远离所述容器的所述周向壁。所述镜子可被布置为至少大体上环绕所述容器的所述周向壁。所述镜子可被布置为至少大体上环绕所述容器的所述周向壁。

[0015] 用于提供光强的不均匀分布的所述设备可包括在所述容器的所述周向壁上的滤光层，其中所述滤光层可具有一透光率，该透光率沿所述轴线变化，以便在所述容器内沿所述轴线提供光强的不均匀分布。

[0016] 用于提供光强的不均匀分布的所述设备可包括定位在所述容器外侧的过滤器装置，其中所述过滤器装置可具有一透光率，该透光率沿所述轴线变化，以便在所述容器内沿所述轴线提供光强的不均匀分布。

[0017] 用于提供光强的不均匀分布的所述设备可包括定位在所述容器外侧的至少一个光源，该至少一个光源用于朝向所述半透明周向壁的预定区域或者朝向所述周向壁的预定半透明区域供应光，以便在所述容器内沿所述轴线提供光强的不均匀分布。

[0018] 用于提供光强的不均匀分布的所述设备可包括定位在所述容器外侧的多个光源，该多个光源用于朝向所述半透明周向壁的多个预定区域或者朝向所述周向壁的多个预定半透明区域供应光，其中所述光源以相应距离与所述容器的所述半透明周向壁或所述周向壁隔开，该相应距离沿所述轴线变化，以便在所述容器内沿所述轴线提供光强的不均匀分布。

[0019] 用于提供光强的不均匀分布的所述设备可包括定位在所述容器外侧的多个光源，该多个光源用于朝向所述半透明周向壁的多个预定区域或者朝向所述周向壁的多个预定半透明区域供应光，其中用于朝向所述半透明周向壁的相应预定区域或者朝向所述周向壁的相应预定半透明区域供应光的光源的数量沿所述轴线变化，以便在所述容器内沿所述轴线提供光强的不均匀分布。

[0020] 所述的生物反应器可进一步包括一个或更多个间隔分隔器，其被布置为在所述容器内沿所述轴线限定多个隔间，其中每个分隔器可具有被限定为通过所述分隔器的至少一个孔口，该至少一个孔口用于所述多个隔间之间的流体连通，并且其中，对于每个隔间，在所述多个隔间的一个隔间中的光强可与所述多个隔间中相应的沿所述轴线的随后的隔间中的光强不同，以便在所述容器内沿所述轴线提供光强的不均匀分布。在各个实施例中，隔间的数量可在2和15之间。每个隔间可对应于所述光合自养生物的生长过程的一个阶段。

[0021] 在各个实施例中，对于每个隔间，所述多个隔间的一个隔间的高度可与所述多个隔间中相应的沿所述轴线的随后的隔间的高度不同。在各个实施例中，对于每个隔间，所述多个隔间的一隔间的高度可小于所述多个隔间中在从所述底部朝向所述顶部的方向上相应的沿所述轴线的随后的隔间的高度。

[0022] 在各个实施例中，对于每个隔间，一隔间中的光强分布可小于在从所述底部朝向所述顶部的方向上的随后的隔间中的光强分布。

[0023] 所述孔口可具有在约1mm和约10mm之间的直径。

[0024] 每个分隔器可具有多个孔口，并且其中两个相邻孔口之间的间距在约1mm和约10mm之间

[0025] 所述生物反应器可进一步包括布置在每个隔间中的引流管。

[0026] 在各个实施例中，对于每个间隔，所述引流管的内径可与各自的沿所述轴线的多个隔间的随后的隔间的内径不同。在各个实施例中，对于每个隔间，所述引流管的内径可小于在从所述底部朝向所述顶部的方向上相应的沿所述轴线的随后的引流管的内径。

[0027] 所述光强可在约50μmol/m2s和约1000μmol/m2s之间。附图说明

[0028] 在附图中，相似的附图标记在不同的视图中始终指代相似的部分。附图未必成比例，而是重点一般地被放在例示本发明的原理上。在以下说明书中，参考以下附图描述本发明的各个实施例，其中：

[0029] 图1示出根据各个实施例的生物反应器的示意性方框图。

[0030] 图2示出根据各个实施例的生物反应器的示意图。

[0031] 图3示出根据各个实施例的生物反应器的示意图。

[0032] 图4A示出根据各个实施例的两段式生物反应器的示意图。

[0033] 图4B示出图4A的实施例的生物反应器的示意性俯视图。

[0034] 图4C示出根据各个实施例的气液分配器的示意性俯视图。

[0035] 图5示出根据各个实施例的生物反应器的示意图。

[0036] 图6示出根据各个实施例的具有不同的截面形状、具有不同的反射表面布置生物反应器的示意性俯视图。

[0037] 图7A示出由照相机图像的图像分析获得的转换后的径向灰度分析分布图。

[0038] 图7B示出由传感器测量获得的生物反应器中的径向光强分布图。

[0039] 图8A示出在各种恒定光强下，小球藻在生物量生长方面的培育特性的图。

[0040] 图8B示出在各种恒定光强下，小球藻在特定叶绿素a含量方面的培育特性的图表。

[0041] 图9示出特定平均光强的对比图。

[0042] 图10A至10D示出对于不同的细胞浓度，作为培育时间的函数的特定叶绿素a含量和特定平均光强的图。

[0043] 图11示出基于光静态方式(lumostatic approach)，小球藻的生长曲线和供应的光强之间的关系图。

具体实施方式

[0044] 以下的详细说明参照附图，附图以例示的方式示出了本发明可实施的特定细节和实施例。这些实施例被足够详细地描述，以使得本领域技术人员能够实施本发明。在不背离本发明的范围的情况下，可使用其它实施例，且可作出结构和逻辑上的改变。各个实施例未必互相排斥，同样地，一些实施例可以与一个或更多个其它实施例组合，以形成新的实施例。

[0045] 在一个方法或设备的上下文中描述的实施例对于其它方法或设备类似地有效。类似地，在方法的上下文中描述的实施例对于设备类似地有效，反之亦然。

[0046] 在一实施例的上下文中描述的特征可对应地应用于其它实施例中的相同或相似的特征。在一实施例的上下文中描述的特征可对应地应用于其它实施例，即使没有在这些其它实施例中明确描述。此外，如描述的用于一实施例的上下文中的特征的增加和/或组合和/或替代可对应地应用于其它实施例中的相同或相似的特征。

[0047] 在各个实施例的上下文中，关于一特征或元件使用的冠词“一”、“一个”和“该”包括对一个或更多个特征或元件的引用。

[0048] 在各个实施例的上下文中，短语“至少大体上”可包括“确切地”和合理的变化。在各个实施例的上下文中，如应用于数值的用语“约”或“近似地”包含确切值和合理的变化。

[0049] 如在此使用的，用语“和/或”包括一个或更多个有关的所列项目的任意和所有组合。

[0050] 各个实施例涉及一种生物反应器，例如用于光合自养生物(例如微藻)生长的光生物反应器。

[0051] 诸如微藻之类的光合自养生物的培育一般地在恒定光强下执行。但是，在培育时期开始时，光强可能太高，使得低浓度的微藻细胞被放置在光抑制的状态下，其中微藻细胞的生长由于高光强或者饱和光强的结果而可能变得被抑制。另一方面，由于相互的遮挡，在中等浓度的培养基中的微藻的生长可能导致光衰减。在这种情况下，在远离光源的分区或区域中的微藻细胞可能由于不足的光照而处于光限制状态下。鉴于此，光静态操作可被用于通过在生长过程期间优化对微藻细胞的光能供应来减少光抑制和光限制，从而改善微藻生长。对于光静态方式，作用在光合自养生物上的光强分布在光合自养生物的培育过程期间(对应于光合自养生物的生长阶段)可能变化。

[0052] 因此，各个实施例可提供基于用于实现光合自养生物的连续生产的光静态培育的方式的用于培育光合自养生物的生物反应器，包括其设计，以及用于培育光合自养生物的方法。

[0053] 图1示出根据各个实施例的用于光合自养生物生长的生物反应器100的示意性方框图。生物反应器100包括配置为容纳光合自养生物的容器102，容器102具有纵向轴线，周向壁104围绕该纵向轴线延伸，其中周向壁104为半透明的，以使得光能够从外侧进入容器102从而作用在光合自养生物上，其中提供设备106，用于在容器102内沿纵向轴线提供光强的不均匀分布。

[0054] 换言之，生物反应器100可具有长形容器102，长形容器102具有纵向延伸的周向壁104。周向壁104可为至少半透明的，换言之具有一定程度的透光率，以允许外部光通过周向壁104进入容器102的内部。容器102可容纳待培育的光合自养生物，且穿入容器102中的光可作用在光合自养生物上或影响光合自养生物以助于培育过程。

[0055] 生物反应器100也可包括设备106，用于在容器102内沿纵向轴线提供光强的不均匀分布。光强可在容器102内沿容器102的纵向轴线不均匀地分布，使得光合自养生物可在不同的阶段或者容器102的不同隔间接受不同的光强分布，因为光合自养生物在培育过程期间在至少大体上沿纵向轴线的方向上在容器102中行进。例如，容器102为竖立容器，且光合自养生物在培育过程期间可从容器102的底部前进至容器102的顶部，并且分布在容器102内的部分光强可沿纵向轴线从容器102的底部向顶部增加。这意味着，与接近容器102底部的光合自养生物相比，接近容器102的顶部的光合自养生物可接收更高比例的分布在容器102内的光强。这提供了光静态培育方式，该方式可提供与容器102内的培育过程期间的光合自养生物的相应生长阶段对应的相应的优化的光强分布。

[0056] 在各个实施例的上下文中，容器102也可被称为腔、芯结构或者柱状结构。

[0057] 在各个实施例的上下文中，周向壁104可具有圆形、椭圆形、正方形、长方形或者六边形的形状。但是，应当意识到，可提供其它多边形形状。

[0058] 在各个实施例的上下文中，用于提供光强的不均匀分布的设备包括周向壁104，以使半透明表面沿容器102的纵向轴线变化。换言之，周向壁104的半透明表面沿纵向轴线的变化可造成容器102内的光强的不均匀分布。作为非限制性示例，半透明表面的变化可为可暴露于光以允许外部光进入容器102的半透明表面区域的尺寸，和/或半透明表面的透光度。在一个实施例中，周向壁104的周长可沿纵向轴线变化，使得半透明表面沿容器102的纵向轴线变化。

[0059] 在各个实施例的上下文中，周向壁104由半透明材料制成。在各个实施例中，整个周向壁104可为至少大体上半透明的，以便允许光通过半透明周向壁104的任意部分或者预定区域进入容器102。在各个实施例中，周向壁104的至少一部分可为半透明的，以便提供半透明区域以允许光穿过周向壁104的预定半透明区域进入容器102。此外，应当意识到，可提供非半透明框架或支撑结构用于保持或固定周向壁104。框架可形成周向壁104的一部分，并且光可因此通过周向壁104的预定半透明区域进入容器102，换言之，通过周向壁104的一部分而非框架的一部分。但是，应当意识到，框架也可为半透明的，以便允许一定程度的光穿过。

[0060] 在各个实施例的上下文中，周向壁104可为透明的。在各个实施例的上下文中，半透明材料或透明材料可包括但不限于玻璃、石英和丙烯酸塑料。半透明材料或透明材料可允许直接暴露于阳光、以使阳光穿过以作用在光合自养生物上。

[0061] 在各个实施例的上下文中，容器102具有用于将容器102定位在地面或表面上的底部，和提供在当沿纵向轴线看时与底部相反的端部上的顶部，其中周向壁104的周长从底部朝向顶部增加。换言之，容器102可为竖立的容器，具有锥形截面，该锥形截面适于沿纵向轴线在从容器102的底部朝向容器102的顶部的方向上逐渐加宽(例如向外成锥形)。因此，容器102可具有类似于倒锥形的形状。周向壁104的周长从底部朝向顶部的增加可为连续的或时断时续的，例如容器102可包括至少一部分具有恒定周长的周向壁104。

[0062] 在各个实施例中，具有锥形构造的容器102可使得容器102内的光强分布沿纵向轴线从容器102的底部朝向顶部增加，使得当光合自养生物在培育过程期间从容器102的底部朝向容器102的顶部向上行进时，光合自养生物可接收逐渐增加的光强分布或光强。这意味着，分布在容器102内的光强部分从容器102的底部朝向顶部增加，使得与接近容器
102的底部的光合自养生物相比，接近容器102的顶部的光合自养生物可接收更高比例的分布在容器102内的光强。这可提供光静态培育方式，该方式可提供与容器102内的培育过程期间的光合自养生物的相应的生长阶段对应的相应的优化光强分布。另外，具有这种锥形构造的容器102也可允许在容器102的顶部更大比例的光进入容器。

[0063] 在具有锥形构造的容器102的各个实施例的上下文中，容器102的顶部的直径(或截面宽度)与容器的底部的直径(或截面宽度)的比率可为约5:1。

[0064] 在各个实施例的上下文中，设备106可包括定位在容器102外侧的至少一个镜子，用于将光引导朝向半透明周向壁104的预定区域或者朝向周向壁104的预定半透明区域，以便在容器内沿纵向轴线提供光强的不均匀分布。镜子可被布置为至少部分地环绕容器102的周向壁104，例如被布置在容器102的一侧或更多侧上，或者至少大体上环绕容器102。在各个实施例中，镜子可使得容器102内的光强分布能够沿纵向轴线从容器102的底部朝向顶部增加，从而当光合自养生物在培育过程期间沿从容器102的底部朝向容器102的顶部的方向行进时，光合自养生物可接收逐渐增加的光强分布。

[0065] 在各个实施例中，镜子可具有被布置为弯曲远离容器102的周向壁104的凹形形状。这可将入射在镜子上的光朝向容器102聚焦，由此将光朝向半透明周向壁104的预定区域或者朝向周向壁104的预定半透明区域聚集，而不是分散在半透明周向壁104或者周向壁104的半透明区域的更大的区域上。

[0066] 在各个实施例的上下文中，设备106可包括在容器102的周向壁104上的滤光层，其中滤光层具有沿纵向轴线变化的透光率，以便在容器102内沿该轴线提供光强的不均匀分布。

[0067] 在各个实施例中，滤光层的透光度可沿容器102的纵向轴线从容器102的底部朝向顶部增加。因此，在各个实施例中，滤光层可使得容器102内的光强分布能够沿纵向轴线从容器102的底部朝向顶部增加，使得当光合自养生物在培育过程期间沿从容器102的底部朝向容器102的顶部的方向行进时，光合自养生物可接收逐渐增加的光强分布。

[0068] 在各个实施例的上下文中，滤光层可被至少部分地提供在周向壁104的外表面上和/或周向壁104的内表面上，例如以涂层的形式。滤光层可为具有变化的透光度的单层，或者可包括多个层以在滤光层的不同部分提供各种不同的透光度。

[0069] 在各个实施例的上下文中，设备106可包括定位在容器102外侧的过滤器装置，其中过滤器装置具有沿纵向轴线变化的透光率，以便在容器102内沿该轴线提供光强的不均匀分布。

[0070] 在各个实施例中，过滤器装置的透光度可沿容器102的纵向轴线从容器102的底部朝向顶部增加。因此，在各个实施例中，过滤器装置可使得容器102内的光强分布能够沿纵向轴线从容器102的底部朝向顶部增加，使得当光合自养生物在培育过程期间沿从容器102的底部朝向容器102的顶部的方向行进时，光合自养生物可接收逐渐增加的光强分布。

[0071] 在各个实施例的上下文中，过滤器装置可被布置为至少部分地环绕容器102的周向壁104，例如被布置在容器102的一侧或更多侧上，或至少大体上环绕容器102。过滤器装置可为具有变化的透光度的单个过滤器，或者可包括多个过滤器以在过滤器装置的不同部分提供各种不同的透光度。

[0072] 在各个实施例的上下文中，设备106可包括定位在容器102外侧的至少一个光源，用于朝向半透明周向壁104的预定区域或者朝向周向壁104的预定半透明区域供应光，以便在容器102内沿纵向轴线的提供光强的不均匀分布。光源可朝向容器102的一侧或更多侧供应光。

[0073] 在各个实施例中，光源可适于和/或被布置为供应光，以使容器102内的光强分布沿纵向轴线从容器102的底部朝向顶部增加，从而当光合自养生物在培育过程期间沿从容器102的底部朝向容器102的顶部的方向行进时，光合自养生物可接收逐渐增加的光强分布。作为非限制性示例，光源可包括具有变化的透光度的过滤器，以便在容器102内沿纵向轴线提供光强的不均匀分布。作为另一非限制性示例，例如具有长形形式的光源可被布置为沿容器102的一侧或更多侧且相对于容器的周向壁104的距离从容器102的底部朝向顶部减小。

[0074] 在各个实施例的上下文中，设备106可包括定位在容器102外侧的多个光源，用于朝向半透明周向壁104的多个预定区域或者朝向周向壁104的多个预定半透明区域供应光，其中光源以沿纵向轴线变化的相应距离与容器102的半透明周向壁104或周向壁104隔开，以便在容器102内沿轴线提供光强的不均匀分布。多个光源可朝向容器102的一侧或更多侧供应光。

[0075] 在各个实施例中，多个光源可被布置为相对于容器的周向壁104的距离从容器102的底部朝向顶部减小，使得当光合自养生物在培育过程期间沿从容器102的底部朝向容器102的顶部的方向行进时，光合自养生物可接收逐渐增加的光强分布。

[0076] 在各个实施例的上下文中，设备106可包括定位在容器102外侧的多个光源，用于朝向半透明周向壁104的多个预定区域或者朝向周向壁104的多个预定半透明区域供应光，其中用于朝向半透明周向壁104的各个预定区域或者朝向周向壁104的各个预定半透明区域供应光的光源的数量沿纵向轴向变化，以便在容器102内沿纵向轴线提供光强的不均匀分布。多个光源可朝向容器102的一侧或更多侧供应光。

[0077] 在各个实施例中，每个预定区域或预定半透明区域的光源的数量沿纵向轴线从容器102的底部朝向顶部增加，使得当光合自养生物在培育过程期间沿从容器102的底部朝向容器102的顶部的方向行进时，光合自养生物可接收逐渐增加的光强分布。

[0078] 在各个实施例的上下文中，生物反应器100可进一步包括一个或更多个间隔开的分隔器，其被布置为在容器102内沿纵向轴线限定多个隔间，其中每个分隔器具有被限定为通过分隔器的至少一个孔口，该至少一个孔口用于多个隔间之间的流体连通，并且其中，对于每个隔间，在多个隔间中的一个隔间内的光强分布与多个隔间中相应的沿纵向轴线的随后的隔间中的光强不同，以便在容器102内沿轴线提供光强的不均匀分布。因此，生物反应器100可具有多隔间构造。

[0079] 在各个实施例中，隔间的数量可在2和15之间，例如，在2和10之间，在2和4之间，在4和15之间或者在4和8之间。每个隔间可对应于光合自养生物生长过程的一个阶段。

[0080] 在各个实施例中，多个隔间的一个隔间的高度可与多个隔间中相应的沿纵向轴线的随后的隔间的高度不同，使得对每个隔间而言光强分布可以不同。例如，对于每个隔间，一隔间的高度可小于沿从容器102的底部朝向顶部方向的相应的随后的隔间的高度。

[0081] 在各个实施例中，除了或者替代隔间的高度，对应于多个隔间中的一个隔间的周向壁104的半透明表面和/或周向壁104的周长可与多个隔间中相应的沿纵向轴线的随后的隔间的不同，使得对于每个隔间而言光强分布可以不同。此外，另外或可替代地，对应于不同的隔间的滤光层和/或过滤器装置可具有不同的透光率，和/或光源可适于供应光以使对于每个隔间而言光强分布不同。

[0082] 在各个实施例的上下文中，对于每个隔间，一隔间中的光强分布可小于沿从容器102的底部朝向顶部方向的随后的隔间中的光强分布。

[0083] 在各个实施例中，每个分隔器可延伸通过容器104的周向壁104。在这种布置的一个示例中，容器102可由对应于相应的隔间的单独的周向壁104组装，相应的隔间一个堆叠在另一个之上，且在相邻的隔间之间具有一个分隔器。

[0084] 在各个实施例中，每个分隔器可在容器102内被附接到周向壁104的内侧壁。在这种布置中，容器102可为具有连续的周向壁104的连续结构。

[0085] 在各个实施例的上下文中，每个分隔器或者每个分隔器的孔口可具有在约1mm和约10mm之间的直径，例如在约1mm和约5mm之间，在约1mm和约3mm之间，在约5mm和约10mm之间或者在约2mm和约5mm之间。孔口可被布置在每个分隔器的中心。

[0086] 在各个实施例的上下文中，每个分隔器可具有多个孔口，并且其中两个相邻孔口之间，例如相邻孔口的相应的中心点之间的间隔或节距在约1mm和约10mm之间，例如在约1mm和约5mm之间，在约1mm和约3mm之间，在约5mm和约10mm之间或者在约2mm和约5mm之间。

[0087] 在各个实施例的上下文中，每个分隔器可作用为气液分配器，以分配和分散供应到容器102内部的气体，和/或有助于产生用于气体分配的气泡。

[0088] 在各个实施例的上下文中，生物反应器100可进一步包括布置在每个隔间中的引流管。在培育过程期间，引流管可有助于隔间内和/或随后的隔间内的光合自养生物的流通。

[0089] 在各个实施例中，对于每个隔间，引流管的内径与多个隔间中相应的沿纵向轴线的随后的隔间中的引流管的内径不同。例如，对于每个隔间，一隔间中的引流管的内径可小于沿从容器102的底部朝向顶部的方向的相应的随后的隔间中的引流管的内径。引流管可为同心引流管，且每个引流管可至少大体上与每个分隔器的孔口(多个孔口)对准，使得供应到容器102内部的液体介质和气体可被分配至引流管的在引流管的周向壁内的芯部和/或引流管的在引流管的周向壁的外部的环形部位。

[0090] 每个引流管可具有不同的截面宽度或直径和/或高度，取决于对应于隔间的周向壁的直径/周长，和/或相应的引流管被定位其中的隔间的高度。在各个实施例中，引流管的直径与限定对应于该引流管的隔间的容器102的周向壁的直径的比率(或者引流管截面面积与容器截面面积的比率)可在0.1和0.9之间，例如在0.1和0.7之间，在0.1和0.5之间，在0.5和0.9之间，或者在0.3和0.7之间。应当意识到，每个引流管可具有任何合适的直径，引流管的直径与容器102的周向壁的直径的比率至少大体上在上述范围内中的任何一个内。另外，应当意识到，每个引流管可具有任何合适的高度。在各个实施例中，每个引流管可由任何材料构造，包括例如透明材料或者不透明材料。

[0091] 在各个实施例的上下文中，光强可在约50μmol/m2s和约1000μmol/m2s之间，例2 2 2 2
如在约50μmol/ms和约600μmol/ms之间，在约50μmol/ms和约400μmol/ms之间，在
2 2 2 2
约200μmol/ms和约1000μmol/ms之间，或者在约100μmol/ms和约600μmol/ms之间。

[0092] 在各个实施例的上下文中，空气与二氧化碳气的混合物以及包含用于培育的光合自养生物的新鲜液体介质(例如培养基)，可通过容器102的底部被供应至容器102。液体和气体可大体上同时通过均起到气液分配器作用的分隔器。气体可以气泡的形式存在于液体中。气泡可朝向容器102的顶部前进，且上升的气泡可流动通过引流管的中空芯部或内部，由此引起液体和液体中的光合自养生物通过引流管的芯部、从引流管的顶部向外并且还从引流管的底部向内至引流管的内部中的内循环。

[0093] 在各个实施例中，每个引流管可妨碍光穿透至引流管内部，因此在环形部位、在容器102的周向壁104和引流管的周向壁之间的空间中的光合自养生物可接收更高比例的光强。应当意识到，每个引流管可由可允许更高程度的光穿透至引流管内部的半透明材料或者透明材料制成。在任何情况下，光穿透的程度还取决于微藻浓度。随着微藻生长和繁殖，光穿透度降低。相应地，随着生长过程进行，至容器102内部以及引流管内部中的光穿透可被逐步地妨碍。

[0094] 在各个实施例中，因为容器102的顶部也可允许光进入容器102，所以在容器102的顶部地液体介质，至少从液体介质的表面至某一深度，也可暴露于光。例如，在培育过程在户外进行的场合，阳光可通过容器102的顶部进入容器102。

[0095] 在各个实施例的上下文中，光合自养生物可为微藻，例如包括但不限于小球藻、聚球藻PC6301，雨生红球藻、多变鱼腥藻、或者富油新绿藻(Neochloris oleoabundan)种类的微藻。

[0096] 为了本发明可被容易地理解和实施，现在将通过示例但非限制的方式并参照附图描述特定的实施例。

[0097] 图2示出根据各个实施例的用于光合自养生物生长的生物反应器200的示意图。生物反应器200包括具有纵向延伸的周向壁203的容器或主柱体202。容器202可具有圆形截面。容器202具有顶部227和底部228。底部228可被定位在支撑结构230上，支撑结构230具有用于在底部228被提高的情况下将容器202定位在地面或表面上的支腿。支撑结构230可与底部228成整体或者可为单独的结构。

[0098] 生物反应器200包括布置在容器202内的引流管204。用于培育的光合自养生物(例如微藻)206被包含在容器202内。微藻206可被提供或悬浮在液体(例如培养基)207中。

[0099] 生物反应器200进一步包括两个光板208a、208b形式的光源、用于经由阀设备210和气体入口212通过容器202的底部228向容器202供应气体的气源、接近容器202的顶部227定位的气体出口214、具有热电偶216的温度控制器(例如，Polyscience，IL，美国)、溶解氧(O2)探测仪218、用于供应冷却水的管道或导管220，以及压力指示器或计量仪222，可从气体出口214将气体从容器202移除。

[0100] 两个光板208a、208b可被布置在容器202的相反侧，以向包含在容器202内的微藻206提供光。每个光板208a、208b可包括多个灯泡224，例如30个荧光灯泡(例如飞利浦8W)。但是，应当意识到，可以提供任意数量的灯泡224和/或光板208a、208b在容器202的任意侧上的任意布置，例如取决于培育要求。

[0101] 容器202可由大体上半透明材料或透明材料制成。在一个实施例中，容器202可由透明丙烯酸塑料制成。容器202可具有约100mm的恒定的内径和约300mm的高度，工作容积为近似1500mL。引流管204可具有约74mm的直径，且可被布置为在气体分配器226上方约35mm以确保包含微藻206的液体207的有效流通。气体分配器226可为具有多个孔口的穿孔板，其中孔口直径为约1mm且节距为约5mm。在培育后，可从位于气体分配器226上方约32.5mm的取样口(未示出)收集微藻的样本。微藻206的培养状态可经由一个或更多个热电偶216、溶解氧探测仪218、压力计222和pH探针(未示出)被监测。

[0102] 供应至容器202的气体可为压缩空气和压缩二氧化碳(CO2)的混合物，其从气体入口212朝向气体出口214向容器202的上游流动。

[0103] 在使用生物反应器200培育微藻期间，CO2的浓度可为约2％(v/v)，且供应至容器202的气体的总流率可为近似0.26vvm(每分钟每液体介质体积的气体体积)。在整个培育时期可保持约为28℃的大体上恒定的培养温度。

[0104] 在生长时期期间，提供给微藻206的光强可例如通过在微藻培育的早期供应低强度的光以及在培育的后期供应较高强度的光而被控制或改变，以最小化光抑制和光限制影响。结果显示与使用恒定光强的传统操作条件相比，这种方式可使微藻生产率提高约74.3％。

[0105] 在各个实施例中，在微藻206生长期间，容器202内部中的光强可通过控制向容器202的内部和向微藻206供应光的灯泡224(例如通过打开对应于所需光强的选择数量的灯泡224)的数量和/或控制一个或两个光板208a、208b相对于周向壁203之间的距离而被改变。

[0106] 在光静态培育中，在光合自养生物的生长时期提供增加的曝光量。在各个实施例中，用于光合自养生物的光静态培育的生物反应器可被设计为考虑，在生物反应器中培育的光合自养生物在培育或者生长过程的早期阶段被定位为接近生物反应器容器的底部，且随着生长过程进行，光合自养生物向上游或向上朝向容器的顶部行进。这样，对于各个实施例的生物反应器的设计而言，在光合自养生物从容器的底部向容器的顶部移动的实施例中，曝光量或者光强的分布可沿从容器的底部朝向顶部的向上方向增加，这与光合自养生物的生长时期或过程良好配合。

[0107] 因此，竖立的生物反应器容器可被构造为或设计为使得，在最早的生长阶段，接近容器底部的光合自养生物可接收低的光强分布，或者与在容器的接近容器的顶部的随后阶段接收到的相比至少更低的分布。进一步地，竖立的生物反应器可被设计为使得，随着光合自养生物在不同的生长阶段期间通过容器的部分或段朝向容器的顶部向上游行进，作用在光合自养生物上的光强分布增加。因此，容器可被设计为使得容器内的光强分布在用于光合自养生物的最后培育阶段的容器顶部最高。

[0108] 在各个实施例中，在生物反应器的容器的各个不同的部分或段沿容器的纵向轴线的容器内的光强分布可基于将用于培育过程的规程或方案而预先确定，从而实现光合自养生物的最大化或最优化生产。

[0109] 图3示出根据各个实施例的用于光合自养生物生长的生物反应器300的示意图。生物反应器300包括容器或主柱体302，容器或主柱体302具有如由双箭头310表示的纵向轴线，周向壁303围绕纵向轴线310延伸。容器302可具有圆形截面。容器302具有底部312a和顶部312b。提供或悬浮在液体(例如培养基)308中的用于培育的光合自养生物(例如微藻)306被包含在容器302内。容器302可由一个或更多个透明丙烯酸薄片制成。

[0110] 容器302的至少一部分具有锥形的截面，适于在沿容器302的纵向轴线310从容器302的底部312a朝向顶部312b的方向上加宽(例如向外成锥形)。换言之，容器302具有朝向底部312a减小且朝向顶部312b增加的截面宽度或直径。

[0111] 在该构造中，周向壁303具有接近底部312a的较小尺寸的周长，且该周长朝向容器302的顶部312b增加。因此，接近容器302的底部312a定位的光合自养生物306在初始生长时期期间可由于较小的周长造成的能够暴露于光信号(例如来自太阳辐射或人工光源)的较小的表面面积而接收较低的光强分布。随着锥形容器302的周长朝向顶部312b增加，在中间生长时期期间，随着光合自养生物306在不同的培育阶段期间朝向顶部312b向上游行进，光合自养生物306可接收逐渐增加的光强分布，使得在最后的生长时期期间，接近顶部312b定位的光合自养生物306可被提供有用于最后的培育阶段的最高的光强分布。另外，顶部312b的表面314可被暴露于光信号(例如入射的阳光)，使得接近顶部312b定位的光合自养生物306可暴露于通过顶部312b的另外的光信号。

[0112] 在如图3所示的实施例中，容器302具有连续的锥形截面。但是，应当意识到，容器302的锥形截面部分可沿容器302的锥形截面部分每隔一定距离包括具有恒定截面尺寸的一个或更多个部分，使得容器302具有时断时续地锥形的截面。

[0113] 容器302被提供有沿容器302的长度的若干气液分配器316。气液分配器316被间隔开，且起到分隔器的作用以在容器302内沿纵向轴线310限定多个隔间320a、320b、320c、320d。

[0114] 每个气液分配器(例如穿孔板)316包括限定为通过气液分配器316的一个或更多个孔口，共同地示出为322，以允许液体308和待供应至液体308的气体在不同的隔间320a、320b、320c、320d之间流动，由此允许多个隔间320a、320b、320c、320d之间的流体连通。每个气液分配器316还协助将气体分配和分散至每个隔间320a、320b、320c、320d的内部中。每个气液分配器316可具有约10mm的厚度，但不限于此。每个气液分配器316可为如随后在图4c中所示的实施例的上下文中描述的那样。

[0115] 每个气液分配器316可被保持在从容器302的周向壁331延伸出的两个法兰324之间，其中气液分配器316和两个法兰324通过紧固机构(例如螺栓)326被紧固在一起以保持和紧固气液分配器316。两个法兰324可围绕气液分配器316的外边缘且分别地位于气液分配器316的顶面和底面上。每个法兰324可具有约10mm的厚度，但不限于此。

[0116] 在各个实施例中，为了构造容器302，对应于相应的隔间320a、320b、320c、320d的相应的周向壁可被布置或组装为一个在另一个上，且相对于彼此对准。例如，可提供对应于相应的隔间320a、320b、320c、320d的单独的周向壁。然后对应于隔间320c的周向壁可被堆叠或布置在对应于隔间320d的周向壁上，并将气液分配器316夹在它们之间，气液分配器316可用与对应于隔间320c、320d的周向壁相关的法兰324紧固在一起。一个或更多个另外的周向壁可被布置在隔间320c、320d上以形成另外的隔间，例如隔间302b，随后为隔间302a。

[0117] 但是，应当意识到，其它的构造或布置是可能的。作为非限制性示例，单一容器结构可被提供有布置在容器结构的内部的一个或更多个分隔器或气液分配器，以限定多个隔间。

[0118] 相应的引流管(为了清楚的目的如剖视图所示)328可被提供在每个隔间320a、320b、320c、320d中。每个引流管328可具有圆形截面。对于每个隔间320a、320b、320c、
320d，引流管328的内径小于多个隔间320a、320b、320c、320d中沿从底部312a朝向顶部
312b的方向的随后的隔间中的相应的引流管328的内径。换言之，沿从底部312a朝向顶部312b的方向布置直径逐渐增加的引流管328。每个引流管328可具有至少大体上与孔口(多个孔口)322对准的中空芯部，以便将供应的气体分配至中空芯部，从而使光合自养生物306流通通过引流管328的中空芯部、以及进入和离开中空芯部，例如，如由每个隔间
320a、320b、320c、320d中所示的块状箭头例示的。引流管328可为同心的，或者换言之，被布置为同心构造。引流管328可被附接至支撑结构(未示出)，支撑结构接着被附接或固定至容器302的内侧壁。提供在相应的隔间320a、320b、320c、320d中的引流管的直径与对应于该相应的隔间320a、320b、320c、320d的周向壁的直径的比率可在0.1和0.9之间，例如在0.1和0.7之间，在0.1和0.5之间，在0.5和0.9之间，或者在0.3和0.7之间。

[0119] 容器302可包括液体入口340和气体入口342，光合自养生物306和液体308可通过液体入口340被供应至用于培育的容器302的内部，气体可通过气体入口342被供应至容器302的内部。

[0120] 容器302可进一步包括液体出口344和气体出口346，包括光合自养生物306a的一部分液体308在培育后可通过液体出口344而从容器302移除，供应至容器302内部的一部分气体和/或在培育期间由光合自养生物306产生的气体可被移除。

[0121] 培育的光合自养生物306a可被提供至罐350。圆柱形分隔器(为了清楚的目的如剖视图所示)351可被提供在罐350中，圆柱形分隔器351从罐350的顶部朝向罐350的底部延伸，使得可被夹带通过带有联结阀362的导管360的光合自养生物306a最小化。培育的光合自养生物306a可在罐350中沉淀，随后至少一部分培育的光合自养生物306a可经由带有联结阀354的导管352而从罐350被移除，以提供浓缩的生物量(例如，藻类生物量)。

[0122] 罐350中的一部分液体308可经由带有联结阀362的导管360被移除并供给至中间给料罐364，以重新供应至容器302。中间给料罐364包括待生长和培育的光合自养生物306的培养物，其可经由导管370被供应至液体泵372，从而经由液体入口340被泵入容器
302中。作为非限制性示例，液体泵382可以约6升/小时的速率提供包括液体308和光合自养生物306的培养物。应当意识到，可使用其它流率。

[0123] 生物反应器300进一步包括气体压缩机374，以经由气体入口342将气体供应至容器302。作为非限制性示例，气体压缩机374可以约200升/分钟的速率供应气体。应当意识到，可使用其它流率。气体可为压缩空气和压缩二氧化碳(CO2)的混合物。气体可以气泡的形式存在于容器中，这可有助于光合自养生物306的流通。在气体穿过气液分配器316时，气液分配器316可协助分配或分散气泡。

[0124] 尽管图3示出了4个隔间或4段式生物反应器300，应当意识到，任意数量的隔间或段可被提供在容器302中。

[0125] 尽管两个入口340、342被示出在图3中，但是应当意识到，带有合适的阀装置的单个共用入口可被提供，液体和气体可通过该单个共用入口被供应至容器302的内部。相似地，带有合适的阀设备的单个共用入口可被提供，液体和气体可通过该单个共用入口从容器302的内部被移除。

[0126] 尽管未示出，但是应当意识到，监测设备，包括但不限于温度控制器、溶解氧(O2)探测仪、pH探针、压力计和光传感器，可被提供在生物反应器300中用于监测培育情况。

[0127] 培育过程可基于对应于如在生物反应器200的上下文中描述的培育过程的相似方式被执行。

[0128] 图4A以剖视图和3D透视图示出根据各个实施例的具有容器402的两段式生物反应器400，容器402具有正方形截面形状。容器402具有如由双箭头410表示的纵向轴线，周向壁403围绕纵向轴线410延伸。容器402具有底部412a和顶部412b。容器402的至少一部分具有锥形截面，该锥形截面适于在沿容器402的纵向轴线410从底部412a朝向顶部412b的方向上加宽(例如向外成锥形)。

[0129] 容器402被提供有沿容器402的长度的两个气液分配器416。气液分配器416被间隔开，且起到分隔器的作用以在容器402内沿纵向轴线410限定两个隔间420a、420b。每个气液分配器416可具有约10mm的厚度，但不限于此。

[0130] 每个气液分配器416包括被限定为通过气液分配器416的一个或更多个孔口(未示出)，以允许隔间420a、420b之间的流体连通。每个气液分配器416可为如随后在图4C中所示的实施例的上下文中描述的那样。

[0131] 每个气液分配器416可被保持在从容器402的周向壁403延伸出的两个法兰424之间，其中气液分配器416和两个法兰424通过紧固机构(例如螺栓)426被紧固在一起以保持和紧固气液分配器416。两个法兰424围绕气液分配器316的外边缘，且分别地重叠在气液分配器416的顶面和底面上。每个法兰424可具有约10mm的厚度，但不限于此。

[0132] 隔间420a在顶部可具有的截面尺寸或宽度wc1为约600mm，在底部可具有的截面尺寸或宽度wc2为约520mm，并且高度hc1为约1000mm。隔间420b在顶部可具有与wc2大体上相似的截面尺寸或宽度，在底部可具有的截面尺寸或宽度wc3为约488mm，别且高度hc2为约400mm。

[0133] 相应的引流管428a、428b可被提供在每个隔间420a、420b中。每个引流管428a、428b可具有正方形截面。隔间420a中的引流管428a的截面尺寸或宽度w管1可为约500mm，其大于隔间420b中的引流管428b的截面尺寸或宽度w管2，宽度w管2可为约400mm。

[0134] 每个引流管428a、428b可具有中空芯部，该中空芯部至少大体上与对应的气液分配器416的孔口(多个孔口)对准。引流管428a、428b可被布置成同心正方形构造。引流管428a、428b可被附接至支撑结构429，支撑结构429接着被附接或固定至容器402的内侧壁431。

[0135] 盖433可被提供在隔间420a的顶部上，以密封容器402。垫圈或O形环(未示出)可被提供在盖433的与隔间420a顶部的法兰424重叠的部分，以最小化任何的液体泄漏。

[0136] 容器402可包括直径为约25.4mm(1英寸)的液体入口和直径为约25.4mm(1英寸)的气体入口，液体入口带有1英寸的NPT(国家管螺纹，National Pipe Thread)配件441，气体入口带有1英寸的NPT(国家管螺纹)配件443。容器402可进一步包括直径为约
25.4mm(1英寸)的液体出口和被形成为通过盖433的直径为约25.4mm(1英寸)的气体出口，液体出口带有1英寸的NPT(国家管螺纹)配件445，气体出口带有1英寸的NPT(国家管螺纹)配件447。

[0137] 图4B示出图4A的实施例的生物反应器的示意性俯视图。为了清楚的目的并为了示出容器402的内部至容器402的底部412a，盖433、气液分配器416和引流管428b未在图4B中被例示。在图4B中，虚线示出为例示内侧壁431的锥形构造，且因此也例示容器402的周向壁403的锥形构造。

[0138] 图4C示出根据各个实施例的气液分配器416的示意性俯视图。气液分配器416包括被限定为通过气液分配器416的多个孔口422。如图4C所示，可有布置成5×5的阵列的25个孔口422。但是，应当意识到，可提供任意数量的孔口422和/或孔口422的任意布置，例如成规则排列或为随机的。在各个实施例中，气液分配器416的孔口422的数量和/或布置可取决于布置在气液分配器416的上方或下方的引流管的截面宽度(或直径)，以使孔口422可至少大体上与引流管(多个引流管)的中空芯部对准，例如在引流管(多个引流管)的周向壁的边界内对准。

[0139] 每个孔口422可具有约1mm的直径，且孔口可具有约5mm的一致的节距。

[0140] 应当意识到，在图4A至4C的上下文中描述的尺寸为非限制性示例，因此应当意识到，可提供其它尺寸。

[0141] 应当意识到，如描述的容器402的构造，包括相关的部件和尺寸可相似地应用于容器302，反之亦然。

[0142] 图5示出根据各个实施例的用于光合自养生物506生长的生物反应器500的示意图。生物反应器500包括容器502，容器502具有如由双箭头510表示的纵向轴线，周向壁503围绕纵向轴线510延伸。容器502可具有圆形或正方形截面。容器502具有底部512a和顶部512b。提供或悬浮在液体(例如培养基)508中的用于培育的光合自养生物(例如微藻)506被包含在容器502内。容器502可具有恒定的截面和/或可由透明丙烯酸制成。

[0143] 容器502被提供有沿容器502的长度的若干气液分配器516。气液分配器516被间隔开，且起到分隔器的作用，以限定容器502内的多个隔间。气液分配器516可包括一个或更多个孔口(共同由522表示)。气液分配器516可与如在生物反应器300或生物反应器400的上下文中描述的类似。

[0144] 每个气液分配器516可被保持在从容器502的周向壁503延伸出的两个法兰524之间，气液分配器516和两个法兰524通过紧固机构(例如螺栓)526被紧固在一起以保持和紧固气液分配器516。两个法兰524可围绕气液分配器516的外边缘，且分别地位于气液分配器516的顶面和底面上。法兰524可与如在生物反应器300或生物反应器400的上下文中描述的类似。

[0145] 生物反应器500进一步包括一个或更多个外部反射表面或光导向器，例如镜子(多个镜子)，以将入射在镜子上的光(如通过线箭头表示的)朝向容器502反射，从而在容器502的不同隔间或段内提供光强的可变的或者不均匀的光分布。因此，外部镜子(多个镜子)或者光导向器(例如镜子)可被使用为在容器502的不同隔间内提供需要量的光强分布，以便提供对应于培育过程的不同阶段的可变光强。光可为阳光和/或由一个或更多个光源提供的光。

[0146] 在此布置中，镜子(多个镜子)可被布置为将光引导朝向容器502，以便朝向光合自养生物506在初始的生长时期所在的容器502的底部512a提供少的光强分布，并且朝向光合自养生物506在最后的生长时期所在的容器502的顶部512b，光强分布的比例逐渐地或渐进地增加。这可提供与容器502中的光合自养生物506的生长阶段对应的优化的光强分布，由于光合自养生物506随着光合自养生物506生长而从底部512a朝向顶部512b移动通过容器502。

[0147] 尽管未示出，如在生物反应器200或生物反应器300或生物反应器400的上下文中描述的其它特征或元件(例如引流管、入口、出口、压力计)，包括尺寸，可被提供在生物反应器500中。

[0148] 培育过程可基于与如在生物反应器200或生物反应器300的上下文中描述的培育过程对应的相似的方式被执行。

[0149] 在一个实施例中，生物反应器可包括具有平坦表面且布置在容器502的一侧或多侧上的镜子580a，以及具有弯曲远离容器502凹形表面且布置在容器502的一侧或多侧上的镜子580b。具有凹形表面的镜子580b可提供朝向容器502的聚焦的光辐射。

[0150] 在各个实施例中，多个镜子580a和/或多个镜子580b可被布置为将光引导至容器502的不同部分或隔间或者周向壁503的不同的预定区域。

[0151] 应当意识到，可提供镜子的其它布置，例如，仅具有镜子580a类型的镜子(多个镜子)的布置，或者仅具有镜子580b类型的镜子(多个镜子)的布置。

[0152] 使用的反射表面(多个反射表面)或镜子(多个镜子)可被布置在容器的一侧或多侧上，至少部分地环绕容器，不同的非限制性布置由俯视例示出在图6中。如图6所示，各个实施例可提供具有容器602的生物反应器，容器602具有周向壁603且被配置为容纳液体(例如培养基)608中的光合自养生物606。容器602可具有任意的截面形状，包括但不限于圆形、正方形、长方形、六边形或者任何其它的多边形状。一个或更多个镜子680可被布置为部分地环绕或者完全环绕容器602。镜子(多个镜子)680可包括具有平坦表面的平面镜和/或具有弯曲表面的凹面镜。

[0153] 应当意识到，在一实施例的上下文描述的特征和/或部件可对应地应用于其它实施例。作为非限制性示例，生物反应器300可包括一个或更多个光板，如在图2的实施例的上下文中所述的。作为另一非限制性示例，具有锥形构造的生物反应器300可包括一个或更多个反射表面或镜子，如在图5和图6的实施例的上下文中所述的，由此允许宽范围的生物反应器设计灵活性来提供与光合自养生物生长的不同阶段对应的可变的光强分布。

[0154] 现在将通过基于如图2中所示的实施例的生物反应器(光生物反应器)中的光合自养生物的培育的以下非限制性示例描述光合自养生物的培育、使用的光静态规程以及相关结果。使用的生物反应器具有圆形截面。

[0155] 除了光被使用为光静态操作的参数，光合自养生物的叶绿素a因为被使用为光静态操作的参数。叶绿素是叶绿体中负责光合作用的成分。在叶绿素的各种形式之中，叶绿素a是用于将光能转化为化学能的主要色素，其与光合速率具有正关系。

[0156] 使用的光合自养生物为微藻物种小球藻(美国典型培养物保藏中心，ATCC14854)。小球藻ATCC14854的细胞在改性的R培养基中生长。改性的R培养基的成分如表1中所示。改性的R培养基可提高特定的生长率，并阻止或最小化养分限制。

[0157] 表1

[0158]成分浓度(mg/L)
Na3C6H5O7·2H2O(柠檬酸钠) 500

[0159]FeCl3·6H2O(六水三氯化铁) 10
CaCl2·2H2O(二水氯化钙) 53
MgSO4·7H2O(七水硫酸镁) 900
NH4NO6(硝酸铵) 600
KH2PO4(磷酸二氢钾) 200
K2HPO4·3H2O(三水磷酸钾) 393
NaC2H3O2(醋酸钠) 1804.7
H3BO3(硼酸) 1.0
ZnSO4·7H2O(七水硫酸锌) 1.0
MnSO4·H2O(一水硫酸锰) 0.303
CoCl2·6H2O(六水二氯化钴) 0.2
Na2MoO4·2H2O(二水钼酸钠) 0.2
CuSO4·5H2O(五水硫酸铜) 0.0625

[0160] 在培育过程期间，光强通过调节灯泡(224，图2)的数量和光板(208a、208b，图2)和容器(202，图2)之间的距离而被改变。供应的气源为向上游流动通过容器的压缩空气和压缩二氧化碳的混合物。所有的培育过程在CO2的浓度为约2％(v/v)和总流率为约0.26vvm(每分钟每液体介质体积的气体体积)的情况下进行。在整个培育时期使用温度控制器(Polyscience，IL，美国)而保持约为28℃的大体上恒定的培养温度。

[0161] 在每次培育之前，用于光生物反应器中的培育的接种物被准备，通过在无菌条件下将微藻从琼脂板转移至包含100mL改形R培养基的250mL瓶中。然后，微藻在100μmol/2
ms的恒定光强、100rpm和28℃的条件下在摇动培养器(Spectra Teknik，200B)中培养约2天。微藻细胞的接种物在指数生长期以2500rpm进行离心分离10分钟而从瓶被捕获，并被
6
重新悬浮在1.5L的改性R培养基中，以提供10细胞/毫升的初始细胞浓度。然后，1.5L的微藻培养物被转移至光生物反应器，且微藻被允许适应容器(202，图2)中的培养基(208，图2)12小时的持续时间。

[0162] 诸如光密度、温度、pH值和叶绿素含量的测量每6小时进行一次。在pH值超过8.0时，加入最多5mL0.1摩尔的盐酸。在观察到泡沫时，单滴玉米油被加入至培养基。培育时间持续约7天(120±10小时)，直到实现细胞浓度达到恒定的稳定期。

[0163] 微藻生物量干重通过对已知体积的微藻培养物以3000rpm进行离心分离10分钟而被确定，并形成为小团。然后，用蒸馏水将细胞团洗两次，并在冰冻干燥机(Christ Alpha1-2LD Plus)中被干燥至恒定重量。通过使用细胞计数室血细胞计数器(Fisher，美国)和光学显微镜(Fisher)以已知的稀释系数对样本进行细胞计数来确定细胞浓度。

[0164] 培育时期的进程期间的生物量干重和细胞浓度被关联至微藻样本的在680nm(OD680)的光密度。微藻样本被放置在通路长度为1cm的PMMA(聚(甲基丙烯酸甲酯))试管中，且OD680使用Nicolet Evolution500UV可见分光光度计(热电公司，英国)测量。
在必要时，用去离子(DI)水将微藻样本稀释至0.1-1.0的OD680范围，以保持测量准确性。
OD680至生物量干重和细胞浓度的转换基于线性回归方程执行。

[0165] 微藻培养物的pH值通过pH探针(Orion3-in-1pH 电极Spectra-Teknik新加坡)测量。在每次培育开始时，在pH探针上使用pH4.1、pH7.0和pH10.0(Fisher，美国)的校准缓冲剂进行三点校准。

[0166] 叶绿素a含量通过分光光度法测量。5ml的微藻样本以5000rpm离心分离10分钟，并形成为小团，且用PBS(磷酸盐缓冲盐水)缓冲剂(8gNaCl，0.2gKCl，1.44g Na2HPO4，0.24g KH2PO4)洗两次。然后，将细胞团与5ml的纯甲醇混合，70℃水浴加热10分钟，并以
5000rpm离心分离10分钟。上层清液吸光率在波长665nm和750nm被测量。然后，叶绿素a含量Chla可使用以下的方程1计算。

[0167] Chla(mg/L)＝13.9×(AB665-AB750) (方程1)

[0168] 其中，AB665为波长665nm时的吸光率，AB750为波长为750nm时的吸光率。

[0169] 入射光强在没有培养基的情况下在光生物反应器的容器的内表面，使用配备有数据记录器(LI-COR有限公司的LI-250A，美国)的量子传感器(LI-COR有限公司的LI-190SL，美国)被测量。平均表面光强基于8点测量而被计算，每个点沿光生物反应器的表面间隔45°。

[0170] 基于生物反应器的俯视图图像，利用图像分析方法来获得存在培养基的各种培育条件下，生物反应器容器内侧的光分布曲线。在每个细胞浓度，使用数字照相机2 2
(Canon450D)拍摄范围从82μmol/ms至590μmol/ms的各入射光强时的一组图像。数字照相机被安装在三脚架上。对于所有条件，光圈尺寸、快门速度以及照相机镜头与培养基表面之间的距离保持恒定。在拍摄图像时气流被临时停止，以防止或最小化由于气泡爆裂导致的液体表面的扭曲。

[0171] 图像处理首先被执行为将原始照相机图像修剪为只包含圆形的光生物反应器部分。然后利用如侯赛因等于2009年在工业和工程化学研究48，第10136-10146页中描述的预开发图像分析算法(其整个公开内容通过引用合并于此)，基于以下方程，将经过修剪的图像从RGB(红绿蓝)空间转换成灰度：

[0172] 灰度值＝(0.222×红色)+(0.707×绿色)+(0.071×蓝色) (方程2)[0173] 灰度图像中的每个图像像素可由灰度中0(黑色)和255(白色)之间的值表示。径向灰度分布可通过将在相同径向位置的所有的灰度值进行平均而获得，结果可在图7A中示出。如图7A所示，可观察到径向灰度值从中心开始增加，并由于弯月面的存在而恰好在光生物反应器表面前达到最大值，结果由710表示。Matlab曲线拟合工具箱被应用为利用指数函数获得更合理的灰度分布，如由712表示的。通过将从图像分析获得的灰度值与在各个光强下通过光传感器测量的表面光强比较，可实现校准，其可如图7B中所示用于光生物反应器中的径向光强分布。

[0174] 定义为光生物反应器容器中每个细胞每单位时间(微摩尔/细胞·秒)接收的光能量的特定平均光强Q被选择为一个光控制参数。对于已知的光强分布，Q可通过以下方程确定：

[0175]

[0176] 其中I(r)为径向光强分布，H为光生物反应器容器中的培养基的高度，A为光生物反应器容器的截面面积，V为培养基的体积，C细胞为细胞浓度。

[0177] 特定平均光强Q为表面光强I0和细胞浓度C细胞的函数。预测或估计Q的模型基于7 8
304组测量的结果而被开发，该304组测量使用范围从4.73×10细胞/毫升至5.07×10
2 2
细胞/毫升的19种细胞浓度，以及范围从0μmol/ms至590μmol/ms的16种表面光强。
模型可通过首先基于304组测量使用方程(3)确定Q而被导出，从而产生可被用于基于I0和C细胞确定Q的经验方程。经验方程(方程4)将在随后描述。

[0178] 小球藻的培育在82μmol/m2s、260μmol/m2s、368μmol/m2s和590μmol/m2s的恒定表面光强下在光生物反应器中被执行。微藻生长的比较在最大生物量干重和叶绿素a含量方面进行。

[0179] 在四个恒定光强下的小球藻的生长曲线在图8A中示出，关于约82μmol/m2s(生2 2
长曲线由802表示)、约260μmol/ms(生长曲线由804表示)、约368μmol/ms(生长曲
2
线由806表示)和约590μmol/ms(生长曲线由808表示)的光强。最大生物量干重在
2
82μmol/ms的恒定光强下最低，其约为1.87g/L。生物量干重随着光强的增加而增加，且
2
在590μmol/ms达到约4.60g/L的最大值。

[0180] 除了最大生物量干重，在培育过程的开始时的迟滞期的持续时间也受到光强影响，在迟滞期期间，微藻适应于培养基且微藻的生长率可是低的。已发现光强的增加会增加迟滞期的持续时间并降低微藻生产率。其原因可能是，用于所执行的所有培育过程的初始细胞浓度太低，使得使用的四个恒定的光强抑制微藻系统的光合速率。除了光抑制，微藻细胞还经历光驯化，从而应付高光强和保持恒定的光合效率。光强越高，光驯化时间越长，由此迟滞期的持续时间越长。

[0181] 在指数生长时期期间，微藻的生长速率显示随着光强增加而逐渐增加趋势。因此，待用于微藻培育的最优光强要求迟滞期的持续时间和指数期期间的生长速率之间的平衡。

[0182] 与恒定光强下的培育过程对应的特定叶绿素a含量(即每生物量干重的叶绿2
素a含量)被确定，且结果在图8B中示出，关于约82μmol/ms(由812表示的曲线)、约
2 2
260μmol/ms(由814表示的曲线)、约368μmol/ms(由816表示的曲线)和约590μmol/
2
ms(由818表示的曲线)的光强。特定叶绿素a含量可被用于评估光抑制和光限制的过程。

[0183] 可观察到，对于不同的光强，特定叶绿素a含量稳定地升高至最大值，然后单调地下降。因为叶绿素a是光合速率的指示，最大特定叶绿素a含量的点可被认为对应于小球藻微藻细胞的最优光合速率的条件。

[0184] 还可观察到，在培育期间的结束时，最大特定叶绿素a含量和特定叶绿素a含量随着光强的增加而降低。这可提供光驯化的指示，通过光驯化，微藻细胞通过降低叶绿素和碳的比率而减轻光抑制。因为最小化光子吸收和减少光抑制的保护机制，微藻细胞在高光强可产生较小的叶绿素天线尺寸(chlorophyll antenna size)和较少的叶绿素a含量。

[0185] 光静态培育可依赖于基于细胞浓度的最优水平或分布的光强供应而被执行。最优光强可被认为是这种光强：在该光强，每个细胞所接收的平均光强允许微藻细胞到达最大光合速率。

[0186] 图像分析被执行，以从304组由19种细胞浓度和16种光强构成的各种组合获得光分布曲线。然后，方程3被应用以在细胞浓度和光强的各种组合下确定特定平均光强Q。确定出，Q与表面光强I0具有指数关系，与细胞浓度C细胞成反比。可导出经验方程来模拟函数，如方程4所表达的。

[0187]

[0188] 其中，a、b、c和d分别为等于7.89×10-8、5.70、-4.61×10-9和0.12的经验常数。如图9所示的对比图例示出，方程4能够在任意给定的细胞浓度和光强至少大体上准确地预测或估计Q。

[0189] 基于培育周期(图8B)中特定叶绿素a含量的变化的确定，特定叶绿素a含量达到最大值的特定平均光强Q可被认为是对于小球藻被光限制的临界点，或者换言之，在特定平均光强低于此临界点Q临界时，小球藻可能经历光限制效应。临界特定平均光强Q临界可由相同的图上特定叶绿素a含量和特定平均光强Q之间的相互关系确定。如图10A至10D所示，对于四个不同的细胞浓度C细胞，Q临界的四个值被确定。在Q临界和C细胞已知的情况下，I临界可使用方程4确定，结果如表2所示。

[0190] 表2

[0191]

[0192] 基于该结果，使用基于在所有的C细胞保持I临界的光静态策略。I临界和C细胞的关系如表2所示，由如方程5表达的以下指数函数确定。

[0193]

[0194] 在整个培育时期，供应的光强I被保持在50％的I临界以内的水平。在对于所有的2
开始细胞浓度的培育时期开始时，光强被保持在6μmol/ms的最小值。在光静态培育过程
2
开始时，光强也被保持在6μmol/ms的最小值。随着细胞浓度的增加，对应的I临界也增加。
当I临界高于供应的光强I多于50％时，I增加到I临界的约150％。光强I的阶段增加过程持续到培育时期结束或者光强I达到使用的光源的供应极限。

[0195] 图11示出基于光静态策略的小球藻的生长曲线1102a和供应的光强1102b之间2
的关系图。为了比较的目的，也示出了与恒定光强82μmol/ms的1102b对应的小球藻的生
2
长曲线1104a，和与恒定光强590μmol/ms的1106b对应的小球藻的生长曲线1106a。如图11所示，在生长速率和获得的最大生物量干重上，使用光静态方式的小球藻的生长均比恒定光强方式更好。使用光静态方式，获得高达约5.78g/L的生物量干重。

[0196] 表3示出使用各种培育方式的迟滞期持续时间、指数期持续时间和生产率的比较。可观察到，在光静态操作中迟滞期持续时间被保持在最小值，与对应于恒定光强为2 2
82μmol/ms的类似。这表明，基于光静态方式，在培育过程开始时供应的6μmol/ms的初始光强在微藻细胞上具有低的光抑制。细胞需要相对短的时间适应培育环境，因此光合能力被加强。另外，光静态培育过程能够比恒定光强方式维持更长的指数期持续时间。长的指数期持续时间对于实现如表3所示的高生产率是有利的。与基于恒定光强的培育过程相比，光静态操作带来约1.29克/升-天最高细胞生产率。

[0197] 表3

[0198]

[0199] 使用的光静态策略是基于如表2所示的I临界和C细胞的关系。在光静态培育过程8 2
期间，即使在细胞浓度高于2.0×10细胞/毫升时，供应的光强也高达590μmol/m s。但是，应当意识到，随着过程期间细胞浓度的增加和在过程期间细胞浓度增加时，在光静态培
8
育过程期间可提供更高的光强。在细胞浓度高于2.0×10细胞/毫升时，为优化对应于细
2
胞浓度增加的光强，使用超过590μmol/ms的更高的光强可产生更长的指数期持续时间、更高的生产率和更高的生物量干重。

[0200] 应当意识到，尽管光静态培育方式已经在各个实施例的封闭式生物反应器的上下文中被描述，这种方式也可应用在利用自然阳光的开放式池塘系统中，例如中午阳光的光2
强为近似2000-2200μmol/ms，可提供合适的筛以控制在池塘内接收的光强分布。

[0201] 虽然已经参照特定实施例特别地示出和描述本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不背离所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可做出形式和细节的各种改变。因此本发明的范围由所附权利要求书指出，因此意在包含在权利要求书的等同物的内涵和范围内所有变化。

标题	发布/更新时间	阅读量
生物反应器	2020-05-11	43
一种生物反应器	2020-05-12	817
生物反应器	2020-05-11	682
光生物反应器	2020-05-13	240
烛式生物反应器	2020-05-13	961
生物反应器	2020-05-11	803
生物反应器	2020-05-11	747
生物反应器	2020-05-12	979
生物反应器	2020-05-12	599
生物反应器	2020-05-11	950

生物反应器

生物反应器

技术领域

背景技术

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：